霍爾效應(yīng)實驗

教學(xué)章節(jié)：實驗  霍爾效應(yīng)
教學(xué)內(nèi)容：利用霍爾效應(yīng)原理測量蹄形電磁鐵的磁感應(yīng)強度
教學(xué)學(xué)時：3學(xué)時
教學(xué)目的：
⒈了解產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的基本原理。⒉學(xué)會測量霍耳電壓、計算霍爾系數(shù)、確定載流子濃度，了解消除副效應(yīng)的方法。⒊了解用霍爾效應(yīng)測量磁場的原理和基本方法。
教學(xué)重點、難點：霍爾效應(yīng)的基本原理
教學(xué)方法、方式：講解、操作指導(dǎo)
教學(xué)過程：（引入、授課內(nèi)容、小結(jié)、作業(yè)布置等）
[實驗背景介紹]
霍爾效應(yīng)是美國物理學(xué)家霍爾在研究金屬的導(dǎo)電機構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的一種電磁現(xiàn)象。利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化技術(shù)、檢測技術(shù)及信息處理等方面。霍爾效應(yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法。通過霍爾效應(yīng)實驗測定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。流體中的霍爾效應(yīng)是研究“磁流體發(fā)電”的理論基礎(chǔ)。
[實驗儀器介紹]
⑴HL-IV型霍爾效應(yīng)實驗儀； ⑵QS-HB型霍爾效應(yīng)測試儀； ⑶導(dǎo)線（若干）。

1． HL—IV型霍爾效應(yīng)實驗儀
⑴儀器結(jié)構(gòu)
A．霍爾元件
霍爾元件是由N型硅單晶經(jīng)過平面工藝制成的磁電轉(zhuǎn)換元件，元件尺寸為4×2×0.2mm，元件膠合在白色絕緣襯板上，有4條引出導(dǎo)線，其中2條導(dǎo)線為工作電流極（1、2），2條導(dǎo)線為霍爾電壓輸出極（3、4），同時將這4條引線焊接在玻璃絲布板上，然后引到儀器換向開關(guān)上，并以1、2、3、4表示，能方便進行實驗。
工作電流需用穩(wěn)定電源供電，適當減小工作電流，以減少熱磁效應(yīng)引起的誤差，最大電流15.0mA。
霍爾元件的靈敏度已給出，一般在10.0mv /（mA•T）左右，溫度變化時，靈敏度也略有變化，這主要是由于不同溫度下半導(dǎo)體的載流子濃度不同造成的。
B．調(diào)節(jié)裝置
兩螺釘分別調(diào)節(jié)霍爾元件上下、左右移動，兩標尺標明霍爾元件在x、y上的位置。
C．電磁鐵
根據(jù)電源變壓器使用帶狀鐵芯具有體積小和電磁性能高的特點，采用冷軋電工鋼帶制成，線圈用高強度漆包線多層密繞，層間絕緣，導(dǎo)線繞向即磁化電流的方向已標明在線圈上，可確定磁場方向。
線圈的兩端引線已連接到儀器的換向開關(guān)上，便于實驗操作。
D．換向開關(guān)
儀器上裝有三只換向開關(guān)，可以很方便地改變 、B 、 的方向。
⑵原理圖及工作電路（如圖5-22所示）

圖5-22  霍爾效應(yīng)的實驗電路圖

Ａ.產(chǎn)生磁路部分
一個有1500匝線包的小型電磁鐵T，直流穩(wěn)壓電源提供勵磁電流，通過換向開關(guān) 來改變勵磁電流方向，從而改變磁場B的方向。
B．供給工作電流部分
提供霍爾元件工作電流，通過換向開關(guān)Ｋ4 改變工作電流方向。
C．測量霍爾電壓部分
mV表測量3、4點間的電位差，即霍爾電壓。
⑶注意事項
A．霍爾片工作電流 的最大值為：直流15mA；交流有效值為11mA。
B．電磁鐵勵磁電流 的最大值為直流1A。
C．本霍爾效應(yīng)裝置，當從“1—2”通入 時，宜令換向開關(guān)撥向上方作為 、 、 的正向，當從“3—4”通入 時，宜選換向開關(guān)撥向下方作為正向。
2．QS—HB型霍爾效應(yīng)測試儀
（1）儀器組成
由勵磁恒流源 、樣品工作恒流源 、數(shù)字電流表、數(shù)字電壓表等單元組成。
（2）儀器面板圖34-4所示：圖34-4  QS型霍爾效應(yīng)測試儀面板圖
A． 恒流源
在面板的右側(cè)，接線柱紅、黑分別為該電源的輸入和輸出?！?調(diào)節(jié)”采用16周多圈電位器，右數(shù)顯窗顯示 電流值。
B． 恒流源
在面板的中間，接線柱紅、黑分別為該電源的輸入和輸出?！?調(diào)節(jié)”也采用16周多圈電位器，中數(shù)顯窗顯示 電流值。
C． 輸入
在面板左下方，為霍爾電壓 輸入測量端，紅、黑分別為正、負極性，左上數(shù)顯窗顯示 的測量值。
（3）儀器的使用
A．“ ”輸出、“ ”輸出和“ ”輸入三對接線柱分別與實驗臺的三對相應(yīng)接線端相連。注意：千萬不能將 和 接錯，否則 電流將燒壞霍爾樣品。
B．儀器開機關(guān)，先將“ 調(diào)節(jié)”，“ 調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針旋到底，使 、 輸出為最小值。
C．打開電源，預(yù)熱數(shù)分鐘后即可進行實驗。
D．“ 調(diào)節(jié)”和“ 調(diào)節(jié)”兩旋鈕分別用來控制樣品工作電流和勵磁電流大小，其電流值隨鈕順時針方向轉(zhuǎn)動而增加，調(diào)節(jié)精度分別為10μA和1mA。
E．關(guān)機前，將“ 調(diào)節(jié)”，“ 調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針旋到底，此時，中右數(shù)顯窗顯示為“000”，方可切斷電源。

[實驗原理介紹]
1． 霍爾效應(yīng)
將一塊半導(dǎo)體或?qū)w材料，沿Z方向加以磁場 ，沿X方向通以工作電流I，則在Y方向產(chǎn)生出電動勢 ，如圖5-20所示，這現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 稱為霍爾電壓。

 圖5-20  霍爾效應(yīng)原理圖
實驗表明，在磁場不太強時，電位差 與電流強度I和磁感應(yīng)強度B成正比，與板的厚度d成反比，即
                                                       (34-1)
或                                                     (34-2)
式（34-1）中  稱為霍爾系數(shù)，式（34-2）中  稱為霍爾元件的靈敏度，單位為mv / (mA•T)。產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的原因是形成電流的作定向運動的帶電粒子即載流子（N型半導(dǎo)體中的載流子是帶負電荷的電子，P型半導(dǎo)體中的載流子是帶正電荷的空穴）在磁場中所受到的洛侖茲力作用而產(chǎn)生的。